aforo

AFOROS El aforo es la operación de medición del volumen de agua en un tiempo determinado. Esto es, el caudal que pasa por una sección de un curso de agua. Importancia La medición o aforo de agua del río o de cualquier curso de agua es importante desde los puntos de vista, como:    

Saber la disponibilidad de agua con que se cuenta. Distribuir el agua a los usuarios en la cantidad deseada. Saber el volumen de agua con que se riegan los cultivos. Poder determinar la eficiencia de uso y de manejo del agua de riego.

Los métodos de aforo para medir un caudal de agua se pueden clasificar en tres grupos que son: 1) Métodos de aforo directo 2) Métodos de área-velocidad 3) Métodos que utilizan contracciones 1) MÉTODOS DE AFORO DIRECTO Expresan el caudal como una función de volumen sobre tiempo (Q = V / t) .Entre ellos se tienen el aforo gravimétrico, volumétrico, químico y los medidores de hélice, fabricados de acuerdo con el mismo principio. Otro método de aforo directo consiste en medir el descenso en el nivel del agua y el tiempo de vaciado en un depósito con dimensiones conocidas.   

Aforo Volumétrico Aforo Gravimétrico Aforo Químico o del Trazador

Aforo Volumétrico Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga, como se muestra en la Figura, determinando el caudal en al ecuación:

Aforo Gravimétrico Se sigue un procedimiento similar al anterior, pero el volumen colectado de agua en el intervalo de tiempo cronometrado, en lugar de medirse se pesa, y el peso (W) de agua se transforma a volumen, dividiéndolo entre el peso especifico γ del fluido a temperatura de prueba. El caudal aforado se determina con la siguiente formula:

Aforo Químico o del Trazador Esta técnica se usa en aquellas corrientes que presenten dificultades para la aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales. Los trazadores pueden ser de tres tipos: 1) Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio 2) Fluorescentes: como la rodamina 3) Materiales radioactivos: los mas usados son el yodo 132, bromo 82, sodio.

2)MÉTODOS DE ÁREA-VELOCIDAD Es importante medir la velocidad del caudal en puntos localizados de la sección transversal, donde la velocidad promedio ocurra con mayor probabilidad.

La velocidad máxima esta entre 0.05 y 0.25 del tirante por debajo de la superficie del agua, y la velocidad mínima se desplaza sobre las paredes del ducto donde la rugosidad tiende a frenar el avance de la corriente. La velocidad media se localiza aproximadamente a 0.60 del tirante, y puede determinarse exactamente

promediando las velocidades

observadas a 0.2 y 0.8 del tirante. La figura muestra la distribución típica de velocidades para un canal, la que se asemeja a círculos concéntricos con eje en el punto donde se localiza la velocidad máxima. Tal distribución sufre deformaciones debido a la geometría de la sección, rugosidad del canal y cambios de dirección (curvas, caídas, etc.). La distribución vertical de velocidades en función de la profundidad, se asemeja a un paraboloide con foco sobre la línea donde ocurre la velocidad máxima.

En una tubería completamente llena, la máxima velocidad se desplaza por el centro del tubo y la mínima se desplaza adyacente a las paredes del conducto, donde la fricción retarda el avance; la velocidad promedio se localiza a 3/8 de diámetro alrededor del centro de la tubería, como se muestra en la figura. La velocidad promedio equivale aproximadamente a 0.80 de la velocidad máxima, este criterio práctico es aplicable a las tuberías en general, donde normalmente predomina un flujo turbulento.

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Método del flotador Método del Tubo Pitot Método del Molinete Hidrométrico Aforo de la Descarga Libre en Tuberías, por el Método de la Trayectoria

Método del flotador Flotadores.- Consisten en objetos flotantes que adquieren la velocidad del agua que los circundan. Pueden ser de tres tipos. a) Simples o de superficie: El inconveniente presentado por este flotador se debe al hecho de ser muy influido por el viento, por las corrientes secundarias y por las olas. b) Dobles o superficiales: Constituyen un pequeño flotador de superficies, al cual está unido por una cuerda un cuerpo sumergido, a la profundidad deseada. Se hace que el volumen del primero sea despreciado frente al segundo. En estas condiciones, manteniéndose el cuerpo sumergido cerca de seis décimos de la profundidad, se determina la velocidad media.

c) Bastones flotadores o flotadores lastrados: Son tubos metálicos huecos o de madera, que tienen en la parte inferior un lastre de plomo para que flote en una posición próxima a la vertical.

El flotador debe ser soltado repetidas veces unos cuantos metros aguas arriba de la sección de prueba, cronometrando el tiempo que tarda en recorrer una distancia conocida (usualmente de 15 a 50 m.), marcada previamente sobre un tramo recto y uniforme. Luego, la velocidad superficial se determina dividiendo la distancia recorrida entre el tiempo promedio de viaje del flotador. Como la velocidad superficial es mayor que la velocidad promedio del caudal, es necesario corregir la medición del flotador multiplicándola por un coeficiente que varia de 94 0.65 a 0.80; misma que debe ser de 0.65 para pequeños caudales (acequias) y de 0.80 para grandes caudales (ríos, diques y canales). Generalmente las acequias y canales de uso agrícola no están revestidos. Su sección transversal, construida en tierra, no es uniforme, por tanto, la determinación del área debe hacerse dividiendo el espejo del agua en varios segmento iguales, de tal forma que se tenga una serie de figuras geométricas consistente en triángulos y trapecios, cuyos lados estarán

dados por las profundidades (di) del agua y, las alturas, por la longitud del segmento (x/n), tal como se muestra en la Figura 4-9. Finalmente al multiplicar el área de la sección transversal (A) por la velocidad promedio del flujo (Vpromedio), se obtiene el caudal (Q) para la corriente aforada. Método del Tubo Pitot TubosdePitot.-Estostubosfueronempleadosporprimeravezporelfísicofrancés Pitot, en 1730 (río Sena). Un tubo de Pitot consiste en un tubo de material transparente común a extremidad doblada en dirección a la corriente del agua, como muestra la Figura 4-15.

Teóricamente

En realidad, se debe introducir un coeficiente de corrección C,

El tubo de Pitot solamente conduce a buenos resultados en el caso de corrientes de gran velocidad, siendo por ello más comúnmente empleado en tuberías. Método del Molinete Hidrométrico

Molinetes.-Los molinetes son aparatos constituidos de paletas o conchas móviles, las cuales,impulsadasporellíquido,danunnúmeroderevolucionesproporcionalalavelocidad de la corriente. Existen dos tipos de molinetes, el de cazoletas y el de hélice, los cuales pueden ser montados sobre una varilla para el aforo de corrientes superficiales o suspendidos desde un cable durante el aforo de ríos, diques profundos, etc. a) Deeje vertical o cazoletas:Tipo Price, de origen norte-americano. b) De eje horizontal o de héliceMás comunes en Europa Cada molinete viene calibrado de fábrica y acompañado de una tabla o ecuación, donde se relaciona la velocidad angular de la rueda giratoria con la velocidad de la corriente. La relación típica se ajusta a una recta con una ligera desviación cerca del origen Cuadro de texto: Velocidad en m/s. Para medir la velocidad de una corriente, el molinete se instala por abajo del espejo de agua, a 0.6 del tirante (medido desde la superficie) y las revoluciones de la ruedecilla se cuentan en un intervalo de tiempo previamente establecido (usualmente un minuto).

Aforo de la Descarga Libre en Tuberías, por el Método de la Trayectoria La descarga libre de una tubería horizontal o inclinada, fluyendo, llena o parcialmente llena, puede ser conocida aplicando el método de la trayectoria, basado en el principio físico de la caída libre de los cuerpos. Dicho principio establece que la proyección horizontal (x) del chorro es proporcional a la velocidad de salida (V) y al tiempo (t) que tarda el agua en alcanzar un punto definido sobre su trayectoria. En cambio la proyección vertical (y) es el resultado de la aceleración que sufre el chorro en caída libre, por efecto de la gravedad.

Para calcular el ángulo θ se debe medir el borde libre ( b) por encima del espejo de agua, luego se debe establecer un par de triángulos con hipotenusa igual al radio interno de la tubería (r) , y cateto adyacente ( r −y)

conocido, cuya relación trigonométrica

proporciona la función coseno del ángulo; equivalente a la mitad del arco 360 º - θ , como se muestra en la figura el trazo auxiliar sobre la circunferencia de una tubería parcialmente llena para calcular el ángulo θ.

La circunferencia completa de la tubería tiene radianes 360 = θ +2 α = 2π, de donde α θ = 360 º −20, estando el ángulo α en función del coseno definido por el triangulo rectángulo de hipotenusa r y cateto (r-b).

3) MÉTODOS QUE UTILIZAN CONTRACCIONES En los sistemas de riego existen muchos instrumentos disponibles para la medición de sus caudales, los cuales a través de la contracción en una sección permiten la medición del caudal. Entre los instrumentos disponibles que se tienen para la medición de caudal en un sistema de riego podemos mencionar los siguientes: El vertedero que es el dispositivo más práctico y económico, siempre que se disponga de suficiente altura, fueron los primeros instrumentos desarrollados. El orificio, ya sea libre o sumergido, como las compuertas, se usa para el control de entrega de agua a las parcelas. Aforadores, como Parshall, sin cuello, WSC, etc., son los instrumentos mas comúnmente utilizados; sus ventajas mas destacadas son las pérdidas pequeñas de altura, una exactitud razonable para una gama grande de caudales y la inestabilidad a la velocidad de aproximación.

AFOROS DE CAUDALES CIRCULANTES El aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que pasa por una sección en un momento determinado: Q = v·S , donde v es la velocidad de la corriente y S es la sección que es atravesada por la corriente. Los distintos métodos para calcular el aforo son: - Aforo por medida de velocidades (molinetes); - Aforo por medida del nivel de agua; - Aforo en una sección de control; - Aforo por trazadores; AFORO POR MEDIDA DE VELOCIDAD El problema principal que se plantea en el aforo es la diferencia de velocidades entre los distintos puntos de la sección. Este método exige la medida de la velocidad mediante unos aparatos denominados molinetes, constituidos por una hélice o aspa que gira en función de la velocidad del agua. La velocidad lineal del agua queda entonces en función del número de vueltas dividido por el tiempo, cociente que se mide mediante un dispositivo contador electrónico. La ecuación que relaciona el número de vueltas con la velocidad es

v = a·n + b , donde a y b son

constantes del aparato y n es el nº de vueltas partido por el tiempo. La sección total de un cauce se divide en pequeñas secciones y de cada una de ellas se obtiene una vi, de forma que Q =  vi·Si .

AFORO POR MEDIDA DEL NIVEL DE AGUA En una determinada sección el caudal circulante es función de la altura de la lámina, es decir

Q = Q(h) , función denominada curva de capacidad. Si se conoce esta curva y se

mide la altura del agua, se puede calcular inmediatamente el caudal. Esta medida de la altura se hace por medio de una mira graduada llamada limnímetro. Las medidas realizadas por este método son baratas, pero su principal problema es la existencia de errores por cambio en las condiciones de la sección, bien por variación de la sección, bien por variación de la rugosidad, o bien del propio régimen del río. Esto exige

un tarado y control periódico de las curvas de capacidad, unido a medidas para garantizar la estabilidad de la sección evitando erosiones, sedimentaciones y cambios de rugosidad. AFOROS EN UNA SECCIÓN DE CONTROL En puntos donde el caudal no es muy alto se pueden realizar obras de fábrica que generan una sección donde el caudal sea calculable por medio de formulación. Por ejemplo, en un vertedero de pared delgada el caudal viene dado por

Q = C a·2/3·(2·g·L)1/2·H3/2 , que con

coeficiente de contracción Ca  0,60 queda Q = 1,8·L·H3/2 . Nótese que H debe ser medido en la zona que no se considere la contracción de la lámina por velocidad. AFORO POR TRAZADORES Se basan en la inyección de una sustancia detectable, colorante o sustancia radiactiva que es medida aguas abajo del punto de inyección. Existen 2 métodos:  MÉTODO DE INYECCIÓN CONTÍNUA. En una determinada sección 1 de la corriente hidráulica, se inyecta un trazador con caudal q1 y concentración c1, y se mide en la sección 2 la concentración c2 del trazador cuidando que esta concentración alcance un valor estable. De esta forma queda que Q = (q1·c1) / c2 . Las precauciones que es preciso adoptar son: a) El trazador no debe de ser destruido ni retenido entre las dos secciones. b) La concentración c2 debe ser uniforme y estable. c) La distancia entre las dos secciones debe ser suficiente para que se uniformice el trazador y no muy larga para ahorrar trazadores. El principal problema con este método es la gran cantidad de trazador necesario para estabilizar la concentración c2.  MÉTODO DE INYECCIÓN PUNTUAL. Consiste en inyectar en la sección 1 una masa M conocida de trazador y medir en 2 la concentración del trazador en función del tiempo, de modo que Q = M /  c·dt . Este método tiene la ventaja de ahorrar trazador pero exige la medida continua de la concentración en la sección 2. Las características que los trazadores deben cumplir son:

- Ser inalterables durante el período de medidas. - No ser ni tóxicos ni contaminantes para las personas y el medio ambiente. - Ser solubles o miscibles en agua. - Fáciles de medir en cuanto a su concentración. - Ser baratos. Dentro de los trazadores químicos más utilizados de encuentran el Cloruro Sódico, el Dicromato Sódico y la Rodamina B. Dentro de los trazadores radiactivos destacan el Sodio 24, el Fósforo 32, el Cromo 51 y el Bromo 82. ESTACIONES DE AFORO La medida de los caudales de realiza de forma sistemática en estaciones de aforo que se sitúan en los principales ríos. En España existen del orden de 500 estaciones controladas por la Comisaría de Aguas, que es un departamento que depende de las Confederaciones Hidrográficas. Los aforadores se encargan de medir los caudales en ciertos puntos y del mantenimiento de estas estaciones de aforo. EVALUACIÓN DE LA EROSIÓN SUPERFICIAL Cuando se produce una precipitación con mayor o menor intensidad sobre una zona, esta precipitación llega al suelo con una determinada energía cinética, que hace que las partículas del suelo se remuevan y se mezclen con el agua, Las partículas son transportadas por escorrentía a los embalses, produciéndose la desertificación de la zona erosionada. La ecuación universal de pérdida de suelo evalúa la erosión hídrica que se produce en una parcela y lugar determinados: A = R·K·LS·C·P - A es la erosión superficial total en toneladas por acre y año.

- R = Ec·I30 / 100 , es el factor de lluvia, que mide la fuerza erosiva de una determinada lluvia. Ec es la energía cinética de la lluvia e I30 es la intensidad máxima de la lluvia en un tiempo de 30 minutos. - LS es el factor de longitud-pendiente. - C es el factor de vegetación y cultivo. - P es el factor de control de la erosión.